题目：鸟羽飞行性能及其应用研究

由于石油、天然气等化石能源的枯竭，现代社会中，节能减排成为人类社会可持续发展的重点研究方向。因此，无论是在能源输运、机动车交通，还是在国防军事，减阻节能都具有十分重要的意义。自然界中的动物和植物经过45亿年优胜劣汰的进化，具有了近乎完美的结构与功能。许多自然界生物，如鲨鱼、海豚以及各种鸟类，在体表存在着复杂的微纳米结构，具有非常优异的减阻性能，因此，仿生减阻为我们探索新型减阻技术提供了广阔的空间。仿生减阻涉及内容广泛，由来已久，最早源自于自然界中水下鱼类等的表面结构。近年来，随着仿生学和微纳技术的不断发展，人们对于鱼类表面与减阻功能之间的关系也有了更加深入的理解。然而，目前对于鸟类的仿生减阻研究还很少报导，仍有待于进一步研究；鸟类飞行性能的研究仍然着重于宏观形体和鸟羽的宏观排列对于飞行性能的影响和意义，对于鸟羽的微观结构及其飞行性能并没有进行详细的解释与研究；最后，鸟羽的飞行性能偏重于阻力、升力等方面，没有从轻质化、自清洁等方面综合考虑。因此，为实现更高效的减阻效果，本文以信鸽为研究对象，通过研究羽毛的微纳结构和排列方式，探索了信鸽羽毛上特殊微结构-人字形沟槽的流体力学特性与减阻性能，提出了一种源于自然的减阻结构，为仿生减阻领域提供了新的思路。本文通过对大量成年信鸽进行观察表征，研究了信鸽羽毛的宏观排列和微观结构，研究了 “人”字形微沟槽的各种形状参数；然后观察了信鸽羽轴髓质和羽枝轴内的空泡结构，研究了信鸽羽轴的轻质化特征；最后通过接触角测量仪测量了羽毛的超疏水性，证明信鸽羽毛具有许多与飞行相适应的结构特点。通过人字形沟槽在15°、45°和75°三种角度下的仿真计算，得到了三种角度的人字形沟槽在不同速度下的减阻率，并以45°的人字形沟槽为例，与单侧斜45°的沟槽进行对比以探讨人字形沟槽的减阻机理。通过分析人字形沟槽与单侧斜沟槽在剪应力、静压强、湍流动能、湍流耗散率、湍流强度、速度场及涡量等方面，探讨了人字形沟槽的减阻机理。为验证人字形沟槽的减阻效果，利用水洞的压差-流阻测试法分别对人字形沟槽结构、简单直沟槽结构以及光滑蒙皮等三种蒙皮分别进行了减阻性能测试，建立了测试段的理论光滑蒙皮模型，推导出此测试段在不同速度下的理论压差计算公式。通过分析减阻测试结果，初步验证了人字形结构的减阻性能，同时证明鸟羽上分布有大量的人字形结构的确具有显著的减阻效果。对于信鸽羽毛飞行性能的研究特别是对于“人”字形微沟槽减阻结构的研究，对于我们理论研究鸟类在微观方面的流体力学性能及减阻性能具有重要意义，是仿生减阻领域的新尝试，但其减阻机理及规律有待于进一步的研究。